液压挖掘机振动掘削机理研究

1、液压挖掘机振动掘削机理研究*赵崇友(中南大学机电工程学院智能机械研究所,湖南长沙410083摘要本文主要讨论了液压挖掘机利用铲斗实现振动挖掘的机理,并在挖掘机上做了振动切削土壤的实验,根据实验结果,分析了振动减阻的机理。振动使土壤的抗剪强度下降是切削阻力下降的主要原因,同时,铲斗与土壤间摩擦力和粘附力下降,也是切削阻力下降的原因之一。关键词挖掘机振动掘削机理土壤切削抗剪强度the Reseach on Mechanism of Vibrating excavationin Hydraulic ExcavatorAbstract: In this paper , the method of vi

2、brating excavation using the bucket is mainly introduced, and the experiment of soil cutting is carried out; the mechanism of cutting resistence deducing is analyzed according to the results. The main reason is that the cutting intension of soil reduced due to vibrating, and another one is the deduc

3、ing of friction between bucket and soil. Keywords excavator; vibrating excavation; mechanism; soil cutting; cutting intension0引言尽管将振动应用到难切削金属材料的加工、农机耕作以及岩石破碎1等方面在国内外都有研究,但将振动应用到液压铲装机械上的研究在国内还很少,象吉林工业大学2所进行的振动铲装研究也还只是停留在实验研究上,没有对振动掘削的机理进行深入的理论分析,也没有对系统的实现方法进行全面的探讨。并且在已有的研究中,均需要对现有的机构进行改造以产生冲击或者振动,这涉及

4、对现有机构进行改造及附加振动发生器,因此,这些研究都有着一定的局限性,严重阻碍了振动掘削理论在铲装机械上的广泛应用。将振动理论应用到掘削过程中可以大幅度降低能耗,提高工作效率,这已被广大研究人员所认可。因此,液压挖掘机的振动掘削技术已进入到一个新的发展时期,振动掘削岩土技术已成为挖掘机自动化与智能化的发展趋势。1激振系统一般来说,实现挖掘机工作装置振动的方法有两类,一是对工作装置的结构进行改造;一是通过系统控制来实现。因为挖掘机结构相对比较成熟,并且如果通过对机构进行改造以产生所需的振动,这就需要对现有的工作机构进行变更及附加振动器,因此这种方法的应用具有较大的局限性。液压挖掘机工作机构是由液

5、压传动提供动力的,具备了采用液压振动的基本条件,故提出了将挖掘机的铲斗油缸作为铲斗振动插入的振动元件3,通过控制铲斗油缸往复运动的位移及换向频率达到对铲斗实施激振的目的的方案。这样可避免在工作机构上附加任何构件,只需对工作机构液压系统进行改造,使铲斗油缸兼有激振功能,又不影响正常的铲斗动作,这将是一个非常理想的方案。课题来源:国家863项目-挖掘机的机电一体化及制造信息化(编号2003A A430200作者简介:赵崇友(1981-,男,中南大学机电工程学院,硕士研究生 电液比例控制铲斗油缸系统的基本结构如图1 所示。工作装置控制手柄是系统中的输入信号,随着手柄位置的变化,输出相应的电信号,由控

6、制器将信号放大并驱动相应的比例电磁铁,从而控制电液比例减压阀输出相应的控制压力,控制主换向阀阀芯的位移。为了实现铲斗的振动,我们在手柄上设置一激振按钮,该按钮的功能是在手柄信号上叠加一正弦信号。如图2。要改变挖掘速度,只要改变阶跃信号的幅值即可;要改变激振频率,只要改变正弦信号的频率;要改变激振的振幅,只要改变正弦信号的振幅。2土壤切削实验1 实验条件实验在液压履带式挖掘机上进行,为了对比振动切削与静态切削切削阻力随时间变化情况,切削角40=o ,切削速度0.95/v m h =,切削深度0.3h m =。2 实验结果分析由于切削土壤的速度不同,在切削土壤过程中切削力的变化形式也不相同,对于切

7、削速度比较慢的静态切削来说其切削土壤过程中切削力的变化如图3所示。从图中我们可以看出,当刀具与土壤接触后,由于土壤具有一定强度,当切削力没有达到土壤的强度极限时,土壤在切削力的作用下产生变形,同时切削力逐渐升高;当切削力达到土壤的强度极限后,土壤开始被破坏,切削力不再增加,当整个土块被破坏后,切削力迅速下降。振动切削土壤时切削力的变化与静态切削时不大相同,动态切削土壤时,加载速度较快,当刀具与土壤接触后,载荷迅速上升,以致于土壤来不及变形,就被刀具破坏了,其切削力在切削过程中的变化如图4所示。3振动使切削阻力下降原理分析土的切削是一个很复杂的过程。土在铲斗楔形刀具的压力作用下受到挤压和剪切而开

8、始变形,当压力继续增大,土体的原始结构被破坏,土块或土层便被切离。此时,产生了土体松散与挤压两个现象,土粒与土粒、土块与土块、土与铲斗之间产生了摩擦而形成阻力。故土的切削时,铲斗插入阻力由铲斗前切削刃阻力、斗底内外表面的摩擦力与粘附力组成。本文认为前切削刃阻力是切削刃插入土体,使土体剪切破坏而流动产生的反力。大量的工程实践和室内试验4都表明:土的破坏大多数是剪切破坏。这是因为土颗粒自身的强度远大于颗粒间的连接强度,在外力作用下,土中的颗粒沿接触处互相错动而发生剪切破坏。3.1振动对土壤强度的影响由于振动加载时外部作用力在极短的时间内有着很大的变化幅度,其作用力在瞬间就可能由零增加到很大,而普通

9、加载时外部作用力的变化很小,属于慢速加载的过程。为了了解振动对抗剪强度的影响,我们可以在直剪实验仪上进行直剪实验,按加荷速率的不同,分为快剪和慢剪两种,它们分别代表了振动加载和普通加载两种情况。1快剪竖向应力加载后,立即进行剪切,剪切速率要快。2慢剪竖向应力加载后,允许试样排水固结。待试样固结完成后,施加水平剪应力,剪切速率放慢,使试样在剪切过程中有充分的时间产生体积变形和排水。图5是直剪实验得到的抗剪强度曲线。试验结果:在竖向应力和剪应力作用下,土样都有一定的压缩,一般情况下,快剪所得的值较小,快剪的抗剪强度较小,慢剪所得的值较大,慢剪的抗剪强度比较大。由此,我们可以得出重要结论:在振动掘削

10、状态下,由于振动使得摩擦角减小,使得土壤得抗剪强度下降,土壤在低于抗剪强度的情况下便已经破坏。根据库伦定律,土壤与铲刀间的切向阻力为(f F A C tg =+式中:A 为两者间的接触面积;C 为两者间的粘附力;为两者间的正压力;为两者间的摩擦角。显然,在振动掘削情况下,切削阻力得到降低。3.2摩擦力和粘附力减小铲斗不振动时斗底受土体作用,形成摩擦和粘附力,铲斗振动后,土体被铲刃开出一条比铲斗厚度大的一条缝,铲斗沿这条缝深入,使斗底表面几乎没有土的作用,因而斗底几乎没有摩擦力和粘附力产生的作用,斗底上表面 也会因为土的压力底,而摩擦力相应减小。 3.3库伦定律根据库伦定律,土壤与铲刀间的切向阻

11、力为(f F A C tg =+式中:A 为两者间的接触面积;C 为两者间的粘附力;为两者间的正压力;为两者间 的摩擦角。显然,在振动掘削情况下,切削阻力得到降低。4结论本文提出了通过控制铲斗油缸来实现振动掘削的激振方案,通过控制铲斗油缸往复运动的位移及换向频率达到对铲斗实施激振的目的。并对进行了土壤切削实验,结果表明,振动掘削相对于静态掘削切削阻力有了明显降低。通过对实验结果分析,得出了振动使土壤抗剪强度下降是切削阻力下降的主要原因,同时,铲斗与土壤间摩擦力和粘附力下降,也是切削阻力下降的原因之一。参考文献:1T.M u r o,D.T.T r a n.R e g r e s s i o na n a l y s i so ft h ec h a r a c t e r i s t i c so fv i b r a t o r yc u t t i n gb l ad ef o rt u f f a ce o u sr o